<4D F736F F F696E74202D2093FA967B8A778F BBB89EF373888CF88F589EF816992B98B8F816A2E B8CDD8AB B83685D>

Transcription

1 北陸地方における ASR 劣化橋梁の現状 と維持管理の課題 於日本学術振興会 76 委員会 金沢大学理工研究域環境デザイン学系鳥居和之平成 27 年 8 月 5 日 1

2 発表内容 1)ASR の現状と課題 * ASR 問題の発生の経緯と対策 *ASR の発生地域と反応性骨材の特徴 * アルカリシリカ試験法の問題点 *ASR 抑制対策の現状と問題点 * フライアッシュによる抑制機構 2)ASR 劣化構造物の維持管理の現状と課題 * 構造物の環境条件と劣化損傷 * 構造物の劣化損傷の特徴 * 構造物の劣化予測の現状 * 構造物の補修 補強技術 3)ASR 劣化構造物のひび割れと鉄筋破断 * ひび割れ * 鉄筋破断 * 鉄筋破断のメカニズム 4)ASR 劣化構造物の補修 補強 * 補修, 補強, 打替えの事例 * モニタリング技術 5) 新たなかつ深刻な ASR 問題 * 抑制対策後の ASR 事例 *PC, PCa 製品の ASR *ASR 抑制対策の不備 2

3 1. ASR の現状と課題 (ASR 試験法と ASR 抑制対策, 分級フライアッシュの活用 ) 3

4 ASR 問題発生の経緯 ( 歴史的背景 ) 1980 年頃 阪神地方, 北陸地方にて顕在化 ( その後全国的 ) 1982 年 阪神高速道路公団 反応性骨材調査委員会 1983 年 NHK 報道 ( 塩害, アル骨による劣化問題 ) 1988 年 建設省総プロ耐久性 ( 塩害, アル骨, 施工 ) 1989 年 ASR 抑制対策 (JIS A 5308) 8th Inter. Conf. on AAR ( 日本 京都 ) (ASR 研究の最盛期 ) ASR 沈静化 (?), 研究沈滞化 1992 年 スパイクタイヤの使用禁止 ( 凍結防止剤の使用 ) 9th Inter. Conf. on AAR ( 英国 ロンドン ) 1996 年 10th Inter. Conf. on AAR ( オーストラリア メルボルン ) 2000 年 11th Inter. Conf. on AAR ( カナダ ケベック ) 2001 年 NHK 報道 ( 反応性骨材問題 ( 福島 )) 2002 年 国土交通省 ASR 抑制対策通達 2003 年 NHK 報道 ( 鉄筋破断の問題 ( 大阪, 石川 )) 2003 年 国土交通省道路橋維持管理要領通達 2003 年 土木学会コンクリート委員会 ASR 対策小委員会 2004 年 12th Inter. Conf. on AAR ( 中国 北京 ) 2007 年 13th Inter. Conf. on AAR ( ノルウェー トロンハイム ) 2012 年 14th Inter. Conf. on AAR ( 合衆国 オースチン ) 2016 年 15th Inter. Conf. on AAR ( ブラジル サンパウロ ) 4

5 ASR の発生地域 ASR の発生地域マップ ( 北陸地方以外に正確なものがない ) * 劣化損傷事例の報告が多い地域 北陸, 関西, 九州, 四国 中国 * 近年, 劣化損傷の事例が報告された地域 沖縄, 東海, 東京, 北海道, 東北 全国各地どこにでもあるのでは? ( 特定地域に限定することが問題であつた ) 5

6 反応性骨材の特徴 * 主要な反応性骨材 安山岩 ( 輝石安山岩, 角閃石安山岩 ) * 安山岩の分布状況と反応性鉱物の特徴 ( オパール, クリストバライト, トリディマイト, 火山ガラス ) * 安山岩の風化 変質過程でのスメクタイト化 ( 粘土鉱物 ) * 火山ガラス, 長石からのアルカリ溶出 * その他の火山岩 ( 流紋岩, 溶結凝灰岩など ) * 堆積岩 隠微晶質石英 ( チャート, 珪質粘板岩, 砂岩, 頁岩など ) 能登産安山岩砕石 ( のと里山海道にて使用 ) 骨材の岩石 鉱物の分かる研究者がコンクリート分野では今後皆無である ( 脇坂, 森野, 片山 ( 引退 ), 鳥居もすぐに引退 (?)) 6

7 骨材のアルカリシリカ反応性試験法の問題点 * 化学法 (JIS A1145) 及びモルタルバー法 (JIS A1146) の整合性 ( 多種多様な骨材, 骨材の混合使用, 輸入骨材の問題など ) * 迅速法の有効性 (?) (JIS A1804, オートクレーブ法 ) * 促進モルタルバー法の適用性 (ASTM C1260, デンマーク法など ) * 促進コンクリートバー法の検討 (RILEM AAR4, 温度 60 ) 骨材のキャラクラリゼーション ( 岩石学的試験 ) 骨材の ASR 試験法 ( 適用性 ) 骨材の使用実績 ( 構造物の劣化の有無 ) 7

8 フライアッシュによる ASR 抑制効果とそのメカニズム ( 常願寺川産砂利,JIS A1146 モルタルバー法 ) 膨張率(%) 普通ホ ルトラント セメント 高炉スラク 微粉末 42% 置換 JIS 判定基準線 0.05 JR 東日本判定基準線 フライアッシュ 15% 置換 材齢 ( 週 ) 委員会報告書モルタルバー法の結果 ( 常願寺川産 ) より 昨年度の試験結果では モルタルハ ー法(JIS A1146) にてフライアッシュによるASR 抑制効果を確認 普通ホ ルトラント セメント 高炉スラク 微粉末では 無害でない 結果試験終了後のモルタルハ ーからモルタル片を切り出し 薄片を作製し偏光顕微鏡にて観察膨張率とASRの発生状況とはよく対応していた 8

9 普通ﾎﾟﾙﾄﾗﾝﾄﾞｾﾒﾝﾄを使用したﾓﾙﾀﾙ 単ニコル 単ニコル ASRｹﾞﾙ 安山岩 安山岩 ASRｹﾞﾙ 0.1mm 直交ニコル 0.1mm 直交ニコル 0.1mm 0.1mm 0.1mm ASRゲルの生成により安山岩を貫通する大きなひび割れが発生 内部での膨張圧 ﾓﾙﾀﾙが膨張 9

10 フライアッシュを混和したモルタル 単ニコル 単ニコル クリストハ ライト クリストハ ライト 安山岩 安山岩 セメントヘ ースト 0.1mm 0.1mm 直交ニコル 直交ニコル 0.1mm 0.1mm 0.1mm 反応性鉱物 ( クリストハ ライト ) はあるが ASR ゲルやひび割れはない フライアッシュにより ASR 抑制 10

11 セメントヘ ースト中のフライアッシュ 単ニコル FA 0.1mm セメントヘ ースト中にフライアッシュ粒子が分散 [ フライアッシュによる ASR 抑制効果 ] フライアッシュ粒子の周りにホ ソ ラン反応層が形成 (Ca/Si が低く セメントヘ ースト中のアルカリを取り込む ) 組織が緻密化 アルカリや水分の移動が低減 アルカリ度の低下 ASR ゲルの生成が抑制 ASR を抑制 ( 分級フライアッシュは粒子が小さいため 早く反応し効果が高いことが考えられる ) 11

12 高炉ｽﾗｸﾞ微粉末を混和したﾓﾙﾀﾙ 単ニコル 単ニコル 安山岩 ASRｹﾞﾙ 安山岩 ASRｹﾞﾙ 0.1mm 直交ニコル ｾﾒﾝﾄﾍﾟｰｽﾄ 0.1mm 直交ニコル 0.1mm 0.1mm 0.1mm ASRゲルの生成により安山岩を貫通するひび割れが発生 内部での膨張圧 ﾓルタルが膨張 12

13 セメントヘ ースト中の高炉スラク 微粉末 BFS BFS BFS BFS BFS BFS BFS BFS BFS BFS BFS BFS 0.1mm 13

14 fa-1 fa-2 fa-3 高炉スラグ微粉末 bfs-3 bfs-1 bfs-2 分級フライアッシュ 反応領域 1μm 反応領域 1μm 分級 FA と BFS のポゾラン反応相 ( 反射電子像 ) 分析点 fa-1 fa-2 fa-3 Ca/Si 比 分析点 bfs-1 bfs-2 bfs-3 Ca/Si 比

15 ASR 抑制対策の現状と改善点 * 骨材のアルカリシリカ反応性 ( 無害, 無害でない ) 無害 無害でない は便宜的なもの ( 工学的判断 ) * アルカリの総量規制 ( 等価アルカリ量 3 kg/m 3 ) ( 反応性骨材の種類, 使用 環境条件 本当に安全か (?)) * 高炉スラグ微粉末, フライアッシュ ( 北陸地方, 東北地方 ) による抑制対策の推進 地産地消促進 と 環境負荷低減 ASR 抑制対策後には ASR の発生がないのか (No) ASR にはペシマム現象というやっかいなものがある (Yes) 例えば, * 高強度化 高性能化 (PC コンクリート, 高流動コンクリート ) * 蒸気養生及びオートクレーブ養生 (PCa コンクリート ) * 過酷な使用 環境条件 ( 海洋環境, 凍結防止剤の散布地域 ) 15

16 2. ASR 劣化構造物の維持管理 の現状と課題 ( 使用 環境条件と補修 補強技術 ) 16

17 構造物の環境条件と劣化損傷 ( その 1) 飛沫帯 干満帯 海洋環境下でのASRの発生 ( 能登地域の海岸部の橋梁 ) * アルカリイオンと塩化物, 硫酸イオンとの相互作用 *ASRゲルとエトリンガイトの生成 *ASRと鋼材腐食 * 環境区分 ( 飛沫帯, 干満帯, 海中部 ) 17

18 構造物の環境条件と劣化損傷 ( その 2) 凍結防止剤散布地域の道路構造物 ( 積雪寒冷地 内陸部 ) * 凍結防止剤 (NaCl) による影響 (ASR 促進?) * 塩害による鋼材腐食, 凍害との複合的な劣化作用 * 路面排水による局部的な劣化の進行 ( 橋脚, 橋台 ) 18

19 構造物の補修 補強技術の現状 ( 失敗例から正直に学ぶことが肝要 ) * 補修工法 ( ひび割れ注入, 表面被覆 ( 伸び能力, 撥水性, 付着性 )) ASR 劣化構造物 ( 構造物内部から水及びアルカリの影響 ) 5 年以内に再劣化するものが多い ( 塗膜の水ぶくれ, 破断 ) * 補強工法 ( 設計手法及び工法が未だ確立されていない ) 橋脚梁部 ( 鋼板接着,FRP 接着, プレストレス導入 ) 柱部 ( 鋼板,PC 鋼材,RC 巻き立て ) 基礎部 ( 対策が緊急な課題 ) 19

20 3. ASR によるコンクリートの 複合的劣化と鉄筋破断の特徴 20

21 構造物の ASR 劣化の特徴 ( 損傷形態 ) コンクリート ひび割れ 変位 変形 ゲルの滲出 変色 ポップアウト はく離 はく落 強度低下 腐食 鋼材 降伏 破断 21

22 ASR と塩害との複合劣化 ( カルバートボックス, 高速道路 ) ASR と塩害との複合劣化 ( ロックシェッド, 立山山麓 ) 22

23 ASR と凍害との複合劣化 ( 橋台, 白山山麓 )( 国道 158 も同じ ) 23

24 ASR 劣化構造物の鉄筋破断の現状 * 鉄筋の破断箇所の特徴 ( 躯体体積と鉄筋比, 膨張の異方性 ( 局所化 )) * 橋脚の梁部 ( 柱部材での破断, 能登有料道, 阪神高速など ) せん断補強筋及び折り曲げ鉄筋の曲げ加工部主鉄筋の圧接部及び曲げ下げ 曲げ上げ部 * フーチンング ( 能登有料道, 新潟国道, 沖縄泊大橋など ) 側面端部の曲げ加工部 * 橋台側面端部及び前面の曲げ加工部 * トンネルの坑口などでの事例が多数報告されている 24

25 鉄筋破断が発生した橋脚のひび割れ ( 枕梁, 能登半島 ) せん断補強筋の破断状況 ( 枕梁, 能登半島 ) 25

26 橋脚 柱部の帯鉄筋の破断状況 26

27 橋脚 フーチングの主鉄筋の破断状況 27

28 鉄筋破断面の特徴 ( 餅は餅屋にまかせろ )( 製鐵会社 ) ASR 膨張により鉄筋の曲げ加工部の内側に大きな引張り力が発生 * 曲げ加工部の内側から割れの進展 (1 次亀裂 2 次亀裂 破断 ) * 脆性的な破壊形態 ( へき開破壊 ) * 鉄筋腐食の影響は軽微 (?) * 水素脆性破壊の可能性 (?) 28

29 鉄筋破断のメカニズム (1) 鉄筋破断の要因抽出 * コンクリート及び構造物 ( 反応性骨材, 配合, 配筋の特徴 ( 鉄筋量, 定着長 )) * 鋼材の品質 ( 材質, 化学成分, 腐食 )( 電炉鉄筋 高炉鉄筋 ) * 施工及び加工方法 ( 加工手順, 曲げ半径, 圧接方法, 品質管理 ) * コンクリートの劣化損傷度 ( 膨張量, 膨張速度, アルカリ, 水 ) (2) 鉄筋破断のメカニズム * 曲げ加工部に発生する初期亀裂 ( これがノッチ ( 欠陥 ) となる ) * 引張応力の作用下での 1 次割れの進展 (ASR と残留応力 ) * 鉄筋の破壊靭性値の低下 曲げ加工硬化 ひずみ時効硬化の影響有り ( 高炉鉄筋と比べて電炉鉄筋は劣る ) *1 次割れの進展後 ASR 膨張による曲げ戻しにより一気に破断に至る ( 最終的な破断形態 ( 脆性的破断 )) 29

30 鉄筋破断が発生した RC 梁または PC 梁の耐荷力の評価 ( 定着が取れていれば計算では安全, 本当か (No)) 設計における留意点 * コンクリートの劣化のモデル化の妥当性 * 鉄筋の破断及び付着力の低下のモデルの妥当性 ( 施工不良, 配筋不良 ) * 構造体のコンクリートの強度低下への影響 * 導入プレストレスト力への影響 補強設計及び補強工法の現状 * 鋼板 3 面張りによる補強 ( 阪神高速道路他 ) * 打ち換え ( 部分的, 全面的 ) その判断基準どうするの (?) ( 石川県 富山県他 ) 30

31 4.ASR 劣化構造物の の補修 補強技術 31

32 (1) ASR 補修のタイミング 32

33 ASR 補修のタイミング (1) 剥離開始

34 最終 : 梁 打ち換え

35 (2) 橋脚枕梁の鋼板接着工法 35

36 補強対策前 補強対策後 橋脚枕梁の鋼板接着工法による補強 ( 石川県, 小丸山大橋 ) 36

37 鋼板の腐食とかぶりのはく離 ( 神通川, 打ち替え ) 37

38 (3) 橋脚の PC 鋼材巻立て工法 38

39 補強対策前 阿津見橋 (P1 梁 ) 海側の劣化と鉄筋破断状況 ( 施工時に確認 ) スターラップ (D19) 17 本 /19 本中 = 89% 39

40 安津見高架橋 柱部 (PC 鋼材巻立て ) 40

41 (4) フーチングの PC 鋼材による 膨張拘束工法 41

42 徳田 2 号橋の劣化状況 海側 山側 P3 橋梁形式上部構造 :9 径間単純ホ ストテンション方式 T 桁橋下部構造 : 橋台逆 T 式橋台 : 橋脚矩形柱張出式橋脚 橋長 :302.00m 竣工年月 :1980(S.55) 年 3 月 P3 海側の劣化状況 金沢面 穴水面 42

43 フーチングの ASR による劣化状況 43

44 フーチングの PC 鋼棒による縦締め フーチングの PC 鋼より線による横締め 44

45 (5) 橋脚の打替えとモニタリング技術 45

46 鹿島橋の劣化状況 橋梁形式上部構造 :2 径間単純合成鋼鈑桁橋下部構造 :A1 橋台ラーメン橋台 :A2 橋台控え壁式橋台 :P1 橋脚張出式中空橋脚 橋長 :105.00m 竣工年月 :1977(S.52) 年 6 月 46

47 P1 梁劣化状況 スターラップ破断 47

48 橋脚ひび割れモニタリング計測位置 柱頭部 張り出し部 梁先端 48

49 亀裂変位計の設置状況 ( モニタリング ) 49

50 ひび割れ幅の計測結果 柱頭部 No.1( 柱頭部 ) No.2( 柱頭部 ) No.3( はり ) No.4( はり ) No.5( はり ) No.6( 柱基部 ) No.7( 柱基部 ) No.8( 橋台 ) No.9( 橋台 ) No.10( 基礎 ) 変位量 (mm) 梁部 残存膨張量 0.1% 程度 0.0 柱基部 残存膨張量 0.5% 程度 /27 5/1 6/1 7/1 8/1 9/1 10/1 11/6 12/1 1/1 2/1 3/1 4/1 5/1 6/1 7/1 8/1 8/24 計測日 50

51 橋脚 柱部の鋼板巻き立て工法と梁 柱接合部の PC 鋼棒による一体化 51

52 5. 新たな, 深刻な ASR 問題の提起 ( 何故, 抑制対策後に ASR が発生したのか ) 52

53 事例 1 PC 舗装 1998 年施工, 反応性骨材 : 千葉県山砂 ( 混合砂 ) ひび割れ発生時期 : 施工後約 2 年 53

54 PC 舗装版のひび割れ状況 ( すぐに破壊 打ち替え ) PC 鋼線に沿ったひび割れ 54

55 事例 2 PC ホロ - 桁 (PC) 臨海副都心, 首都高速の ASR 反応性骨材 : 山砂 ( 混合砂 ) ペシマム ( オパール含有 ) 粗骨材 : 石灰石砕石 無害 ( アルカリ量 :2.3kg/m 3 ) PC ホロ - 桁の外観 PC 鋼材に沿ったひび割れ 55

56 事例 3 モノレールの PC 桁 (PC,1985 年建設 ) 骨材 : 硬質砂岩 緑色片岩 ( 隠微晶質石英を含有 遅延型膨張 ) ASR 試験判定 無害 < 問題点 >: 現行の化学法 モルタルバ - 法 では判定できない 56

57 事例 4 PC ホロ - 桁 ( 橋梁の長寿命化計画 ) 石川県 PC 工場製造川砂, 川砂利 ( 庄川水系 )( 流紋岩 ) 設計基準強度 :50N/mm 2 橋軸方向のひび割れ エフロと ASR ゲルの滲出 57

58 わが国初の分級 FA 含有プレテン PC T 桁の架設 ( 平成 26 年 9 月, 石川県主要地方道七尾輪島線 ) 58

59 事例５ 新潟駅高架化事業への七尾大田産 分級フライアッシュ ２０ の採用 阿賀野川産砂利のASR抑制対策 平成25年から 59

60 FA 含有高流動コンクリート (27N/mm 2 ) による RC 柱およびスラブのコンクリートの打設 (14 万 m 3 ) 60

61 事例 6 PCa 製品 (BB セメントを使用した擁壁 ) 能登産安山岩砕石使用 ( 凍結防止剤 ) ひび割れ発生時期 : 製造後約 1 年 ( 翌年冬 ) 61

62 PCa 製品井桁擁壁の劣化状況 ( 撤去 ) 凍結防止剤 座屈 コンクリート部材の座屈 座屈のモデル図 62

63 今後 同じ過ちを繰り返すな! * 反応性の疑いがある骨材の使用地域 ( 北陸 ) では, ( 地域指定 ( 混合セメント (FA)) が必要 ) * 川砂, 川砂利 ( 常願寺川, 九頭竜川 ) の使用では, ( 現行の ASR 試験法の見直し,ASR 抑制対策が不備 ) * 最近の ASR 事例の発生では, (ASR 事例の公表, 管理者の説明責任, 橋梁の長寿命化計画 ) * 北陸自動車道路 RC 床版の打ち替えでは, (ASR 及び塩害対策, 高耐久性 FA 含有 PCa PC 床版の採用 ) * 骨材の岩石 鉱物学的検討と ASR 試験法の見直し 課題 * アルカリ総量規制値の見直し (2kg/m3) * 混合セメント (FA,BFS) の積極的な活用 ( 地産地消 ) 63

64 さざれ石 ( 石川県羽咋気多大社 ) 64